CTA報告196:

CTA大口径望遠鏡のためのSiPMモジュールの開発
橋山和明A, 猪目祐介A, 岩村由樹A , 大岡秀行A, 岡知彦B, 岡崎奈緒A, 奥村曉C, D, 折戸玲子E, 片桐秀明F,櫛田淳子G, 窪秀利B, 郡司修一H, 齋藤隆之A, 櫻井駿介A, 佐々木寅旭I, 砂田裕志I, 高橋光成A, 立石大I,田中真伸J, 手嶋政廣A, K, 寺内健太B, 寺田幸功I, 門叶冬樹H, 中森健之H, 西嶋恭司G, 野上優人F, 野崎誠也B,
野田浩司A, Daniel MazinA, K, Daniela HadaschA, 山本常夏L, 吉田龍生F,
他 CTA-Japan consourtium

東大宇宙線研A, 京大理B, 名大ISEEC, 名大KMID, 徳島大理工E, 茨城大理F, 東海大理G, 山形大理H,埼玉大理I, KEK素核研J, マックスプランク物理K, 甲南大理工L

日本物理学会 第77回年次大会 2022/3/15

CTA大口径望遠鏡 (LST)• LSTによるガンマ線の観測-

ガンマ線が地球大気との相互する際に生じるチェレンコフ光をPMT製カメラで撮像-

イメージのパラメータ化によりエネルギー/到来方向を推定✓

チェレンコフ光は宇宙線陽子等のハドロンからも生じ, それらが背景雑音となる➡

LSTの感度はガンマ線とハドロンの弁別性能に依存✦ 深層学習によるガンマ線とハドロンの弁別✓

パラメータ化する手法と比べて弁別性能が向上する可能性が示唆（H. Abe Master Thesis, 2021）➡

ピクセルの細分化によってイメージの詳細が明らかになると深層学習による弁別性能が向上すると期待

カメラ

CTA LST
2022/3/15

チェレンコフ光をカメラで撮像イメージをパラメータ化

カメラ面©H.Völk et al (2009)2022年 日本物理学会春季大会

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カメラ素子のSiPM化• Silicon Photo-Multiplier (SiPM)-

多数のガイガーモードアバランシェフォトダイオード(GAPD) で構成されている-光子検出機構
✓6 mm

6 mm

光電効果で生じた光電子がアバランシェ増倍によって増倍される‣

光電子と素子構成原子との衝突電離によるキャリアの雪崩増殖

SiPMのメリット

B1

C1D1A2B2C2D2A3B3C3D3A4B4C4D4✓ 信号のパルス幅が大きい➡ 数100 ns (PMT~3 ns)✓ 動作電圧が低い➡ 約40 V✓ OCTの発生確率が高い

小さな正方形が1ピクセルGAPD(75 μm×75 μm)

本研究で用いたSiPM(S14521‒0741‒2,浜松ホトニクス製)✓ 温度に強く依存するなど

さらに拡大⬅ LST-1 PMT
Φ34 mm

SiPMのデメリット✓ 量子効率がPMTの約1.5倍➡ 約60% ＠300‒500 nm✓ 経年劣化が少ない

A1

コーティングなしなど

オプティカルクロストーク (OCT)

PMTとSiPMの定量的な性能の比較が重要
パルス幅やOCT, 温度依存性などのSiPM特有のデメリットがどのくらい影響するかを定量的に評価する- 光検出と同時にSiPM自体が赤外線光子を発生させる現象- 1光子を複数光電子と誤計測してしまう

アバランシェ増倍で生成された電子が制動放射によって2次光子を生成➡ 2次光子が新たな電子/正孔対を作る

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測定項目
• 基礎特性評価• 信号処理回路開発のための測定--

ゲインと降伏電圧-

信号の波形整形-

オプティカルクロストークの発生確率

-

電荷分解能

-

-

✓

-

1光子検出時の揺らぎとして定義✓

検出光子数の推定精度に関わる重要な測定量
前回学会で発表✓

SiPM起因で発生する1光子相当の信号✓

観測時にノイズとなる夜光の頻度と比較するためSiPMの素子サイズが小さすぎる (PMTの1/16倍)➡

ピクセルを細分化しても, 全ピクセルのデータを記録するとデータ量が膨大となる➡

複数のピクセルの信号を合成する必要がある

温度補償
✓

✓

ダークカウントレート

信号合成

ゲインは温度に強い依存性を持つ➡

検出光子数の推定精度悪化に繋がる➡

温度補償回路を用いてゲインの補正を行うため

各基礎特性の温度依存性✓

温度補償回路について議論するため

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Dark Count Rate (DCR)• ダークカウント
-発生原理
✓

-

1イベント分の信号

熱励起された電子のアバランシェ増倍によって発生

測定と解析
✓

暗箱内で光を照射させずに測定(温度依存性は恒温槽を用いて測定)✓

デジタルローパスフィルタで高周波成分除去➡

✓

パルスを計測しやすくするため

閾値電圧を超えた計測数を測定時間で割って周波数に変換➡

第2変曲点での周波数をDCRとして採用

50 MHz以上の高周波成分除去後光を照射した場合←1光子の振幅は~1.8 mV

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Dark Count Rate (DCR)• 測定結果-閾値に対して階段状の構造を取る✓-

超過電圧に対して単調増加

SiPMが検出光子数に対応した振幅を出力するため超過電圧に対して単調増加✓

チャンネル毎のばらつきが大きい✓

室温 (25℃) でのDCRは最大で~10 MHz (PMT: 数kHz)

c.f.) 夜光はPMT換算で約20 MHz/channel. 実際はこれの数倍.

-

温度に対して指数関数的に増加✓

チャンネルC3はデータ欠損のため非掲載数MHz程度に抑える → 温度を低く保つ必要あり

第2変曲点

ノイズ成分

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チャンネルD4の測定結果➡ 1 p.e.以上

温度に対しては指数関数的に増加

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6モジュール開発のための測定• 信号合成-SiPM 1チャンネルの面積はPMTの1/16✓-• 温度補償

LSTカメラのピクセル数を16倍にできない (e.g. データ量)

温度変化に対するゲインの変動を抑えるため✓1チャンネルに対する1光子あたりの振幅が揺らぐ
➡

回路図
✓-

印加電圧は低いまま負荷容量を減らす回路-

検出光子数の推定精度が悪化

ゲインの電圧依存性と温度依存性(MEG実験の考案を参照)✓

超過電圧が高くなると大きくなる➡

✓

温度を上げると下がる

電気容量を合成することなく高周波信号のみを合成

4チャンネル合成回路
MEG実験の考案を参照

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サーミスタによって温度が高くなったときに印加電圧を高くすればゲインを一定に保てる

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信号合成
• 電荷分解能--2チャンネル合成

チャンネルXとYの合成をX+Yで表している✓

A1: 0.34 ± 0.02 p.e.

✓

A1+B1: 0.30 ± 0.02 p.e. (-12%)✓

A2+B2: 0.36 ± 0.02 p.e. (+6%)

合成チャンネルのゲインの不一致

電荷分解能

4チャンネル合成✓

A3+A4+B3+B4: 0.40 ± 0.02 p.e. (+18%)✓C3+C4+D3+D4: 0.37 ± 0.02 p.e. (+9%)

4チャンネル合成での電荷分解能は最大で1チャンネル読み出しに対して18%落ちたがPMTの平均値0.47 p.e.よりも15%向上した
F 2 = 1 + (μ /σ)2
PMT< 1.22 → (σ /μ)PMT< 0.47

FWHM ~ 2 ns

合成チャンネル数の増加に伴い電荷分解能は落ちていく

A3+A4+B3+B4

アンダーシュート

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温度補償
• 温度補償回路の設定-温度が高い
ことに起因1℃の温度変化で何V変化させれば良いか？
✓

ゲインの温度依存性の測定より−0.90%/℃✓

ゲインの印加電圧依存性より+19.8%/V

0.90 % ∘C∼ 0.045 V/∘ C
19.8 % /V-

温度補償回路の外装で25‒35℃におけるゲインは+0.08%/℃に抑えることができた-モデリング: 測定結果におおよそ一致

電圧が低い
ことに起因

G(V, T ) = (g0T + g1) {g2 (V0T + T1) + g3}

温度と共に高くなる※42.0 V未満, 35.0℃より高い温度のデータは用いず降伏電圧を推定した

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まとめ• 基礎特性評価
-

DCR
✓
✓

-

• LSTカメラのSiPM化の現状

SiPMにおける夜光到来頻度 (~20 MHz) より2倍低い

OCT

ゲインは温度上昇に対して単調減少➡
➡

1℃の温度変化で~0.92%減少
0.046 V/℃の温度補償でゲインが一定に保てる• モジュール開発
--

動作電圧
ゲイン
パルス幅

超過電圧に対して単調増加: 最大~10 MHz @ 超過電圧5.5 V

温度依存性
✓̶

電荷分解能~0.47 p.e.

DCR/NSB

10 kHz/300 MHz

ゲインの温度補償

信号合成✓2チャンネル合成時: ~0.37 p.e. @超過電圧~4.7 V✓

4チャンネル合成時: ~0.40 p.e. @超過電圧~4.5 V★

LST-1のPMTでは σ /μ ~0.47 p.e.

-

✓

-

25.0‒35.0℃の温度におけるゲインは0.08%/℃に抑えられた

0.1‒0.2%/℃

SiPM+PZC~38.5 V
2×104~2 ns≤ 13 %~0.30 p.e.

(4ch sumで0.40 p.e.)

10 MHz/20 MHz~0.08%/℃

OCTへの対策
素子の改良 or 運用電圧の調整により数％に抑えたい

DCRへの対策✓

温度補償✓

PMT~1000 V
4×104~3 ns

カメラの空冷/水冷による冷却強化で数MHzに抑えたい

今後の展望• 線形性とダイナミックレンジ✓

明るいチェレンコフ光を観測する際はGAPD 1つに複数光子が入射する確率が高くなる → 何p.e.が限界か？

• 系統誤差の評価

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